搜索
®物理选修3-1普通高中课程标准实验教科书人民教育出版社课程教材研究所物理课程教材研究开发中心编著普通高中课程标准实验教科书物 理选修3－1*出版发行（北京市海淀区中关村南大街17号院1号楼 邮编：100081）网址：××××印刷厂印装全国新华书店经销*开本：890毫米×1240毫米1/16印张：7.25字数：1500002007年1月第2版年月第次印刷印数：00001～000000册著作权所有·请勿擅用本书制作各类出版物·违者必究如发现印、装质量问题，影响阅读，请与出版社联系调换。人民教育出版社课程教材研究所物理课程教材研究开发中心编著ISBN978-7-107-20253-7G·13303（课）定价：元总主编副总主编主编执笔人员绘图责任编辑版式设计审读：张大昌：彭前程：张维善：黄恕伯唐果南张维善：王凌波张傲冰张蓓张良：张颖彭征：马迎莺：王存志致同学们1第一章静电场11电荷及其守恒定律22库仑定律53电场强度104电势能和电势155电势差206电势差与电场强度的关系227静电现象的应用248电容器的电容299带电粒子在电场中的运动33第二章恒定电流401电源和电流 412电动势433欧姆定律464串联电路和并联电路485焦耳定律536电阻定律567闭合电路的欧姆定律608多用电表639实验：测定电池的电动势和内阻6910简单的逻辑电路71第三章磁场791磁现象和磁场802磁感应强度833几种常见的磁场864磁场对通电导线的作用力915磁场对运动电荷的作用力956带电粒子在匀强磁场中的运动99课题研究霍尔效应103附录游标卡尺和螺旋测微器104课外读物107目录1欢迎大家进入《物理》（选修3系列）的学习。这个系列将为大家呈现比较完整和综合的物理学内容，展示物理学发展中充满睿智和灵气的科学思维，弘扬前辈物理学家探寻真理的坚强意志和科学精神。在必修物理课中，大家学习了力学的主要内容。诚然，力学是物理学的基础，是在物理学和其他学科中进行科学研究的典范。但是奠定基础是为了实现更高和更强的目标，学习典范是为了追求超越和创新的理想。在这一过程中，一定会有意想不到的坎坷和曲折，但探索未知的诱惑和超越已知的希冀，却总在前面向我们招手……从这种意义上说，物理课程的学习与物理学自身的发展具有惊人的一致性。那是1955年4月17日，一个星期日的下午，爱因斯坦从病榻上坐起来，开始了他一生的最后一次计算。他以自己特有的干净利落的笔迹，写下了一行行算式。在整理了一些数字之后，他休息了。几个小时之后，20世纪最伟大的物理学家之一去世了。病床旁边放着他最后的，也是失败的一项努力的记录：他要创造一个“统一场理论”，以便对宇宙中已知的几种相互作用做出统一的解释。爱因斯坦的研究溯源于19世纪中前期法拉第和麦克斯韦的工作。当奥斯特发现电流产生磁场的现象之后，法拉第想知道，相反的情况是否可能发生——磁能够产生电吗？在失败了多次之后，他取得了成功，揭示了自然界一个具有深远意义的奥秘——尽管表面现象不同，但是电和磁仅仅是同一基本现象的不同方面。这向人们暗示：宇宙中的事物具有某种基本的统一性。致同学们爱因斯坦法拉第在英国皇家学会演讲2超弦理论认为，各种粒子从一个基本超弦的不同振荡状态产生，就像一根弦振动形成不同的音调麦克斯韦虽然法拉第以其高超的实验技能瞥见这种统一性，但他缺乏阐述这一辉煌成果所需的数学工具。麦克斯韦用数学语言成功地把法拉第的发现纳入了一个完美的框架，阐明了电与磁实质上的统一性。然而，他们没有考虑一个明显的问题：宇宙的这种统一性是否包括人们最熟悉的引力呢？这正是爱因斯坦智慧的触角指向的地方。也许是这个问题太多地超越了科学的年轮，爱因斯坦穷30多年之力，却只能遗憾地把这一科学重任留给后人。在爱因斯坦忙于构建自己的统一场理论的同时，人们发现了另外两种基本的力——凝聚原子核的强相互作用力和造成放射现象的弱相互作用力。从20世纪50年代开始，物理学家的注意力转向了电磁力与弱相互作用力的统一。到60年代末，温伯格、格拉肖和萨拉姆分别在理论上表明，这两种力仅仅是同一种力的不同方面，由此预言的一些现象在70年代被实验证实。这让他们共同获得了1979年诺贝尔物理学奖。70年代前期，格拉肖还提出了把电磁力、弱作用力和强作用力统一起来的数学公式，并称为“大统一场理论”，但他的预言证实起来却有困难。1984年，施瓦茨和格林等人终于宣布，能够把最后的局外者——引力和其他的力统一起来。条件是不再把粒子看做点状物，而是看做称为“超弦”的极小物体，它们像一些“琴弦”，存在于10维的时空之中。尽管这是一项重大进展，但超弦理论似乎仅仅是某种更加根本的东西的一个影子。1995年，威滕把这个“东西”找到了，并称它为“M理论”，或说是“膜理论”。以往的超弦仅仅成为11维的膜的“边缘”而已，这11维时空中除了4维之外全都卷曲起来，以致我们无法“看到”。这就是爱因斯坦追求的目标吗？它可以通过实验证实吗？除了4维之外的其他维度是如何卷曲的，以致我们看不见？尚存的其他许多维的谜底在哪里？“M”除代表“Membrane（膜）”之外，可以代表“Mother（母亲）”，也可以代表“Mystery（神秘之物）”，还可以代表“Magic（魔术）”，那么，它到底代表什么呢？答案只能存在于未来的探索之中，也许它正在向你们招手呢！科学是人类物质文明和精神文明进步的伟大阶梯，它也映射出一个民族和国家3发展壮大的坚实脚步。中国是个有13亿人口的发展中的大国，无论多么可观的财力、物力，考虑到巨大的人口，就成了很低的水平。但是，事情也有另外一面。如果13亿人都具备了较高的科学素质，以科学的精神和思想方法面对挑战和机遇，中国人难道不可以为自己乃至全人类的发展和进步，承担起无与伦比的重大责任吗？同学们，学好科学，增长智慧和才干，并把个人价值的实现与祖国的繁荣富强联系起来，那么人生就一定是充实而精彩的！曾有一位游人在游览杭州西湖后写过一首打油诗：昔年曾见此湖图，不信人间有此湖。今日打从湖上过，画工还欠费功夫。如果你在读了前面那些文字之后，对于物理学的博大精深及影响之巨仍然将信将疑，那也没有关系，还是先学下去吧，或许有一天你会拍打着教科书说：“编者还欠费功夫。”神舟飞船万里长城第一章静电场科学是可以解答的艺术。科学的前沿是介于可解与难解、已知与未知之间的全新疆域。致力于这个领域的科学家们竭尽全力将可解的边界朝难解方向推进，尽其所能揭示未知领域。——皮特·梅达瓦①牛顿曾经说：“我认为自己不过像在海滩上玩耍的男孩，不时地寻找比较光滑的卵石或比较漂亮的贝壳，以此为乐。而我面前，则是一片尚待发现的真理的大海。”是的，牛顿并没有发现值得我们知道的每一样东西，其中包括电现象、磁现象……其实，人类研究电现象和磁现象的历史比起研究力学的历史要更加丰富多彩，电和磁的世界也比机械运动的世界更加错综复杂。从这章开始，我们将进入更有趣的电和磁的世界。①梅达瓦（SirPeterB.Medawar,1915—1987），阿拉伯裔英国免疫学家，因组织移植方面的研究获1960年诺贝尔生理学或医学奖。梅达瓦有许多科学和哲学方面的优秀著作。12高中物理选修3-111公元前600年左右，希腊人泰勒斯（Thales，前624—前546）就发现摩擦过的琥珀吸引轻小物体的现象。公元1世纪，我国学者王充在《论衡》一书中也写下“顿牟掇芥”一语，指的是用玳瑁的壳吸引轻小物体。16世纪，英王御医吉尔伯特（W.Gilbert,1544—1603）在研究这类现象时首先根据希腊文“ηλεκτρινοζ”（琥珀）创造了英语中的“electricity”（电）这个词，用来表示琥珀经过摩擦以后具有的性质，并且认为摩擦过的琥珀带有电荷（electriccharge）。后来，人们发现很多物质都会由于摩擦而带电，并且带电物体之间存在着相互排斥或相互吸引的作用。摩擦后的物体所带的电荷有两种：用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷是一种，用毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷是另一种。同种电荷相斥，异种电荷相吸。人们没有发现对上述两种电荷都排斥或都吸引的电荷。这表明，自然界的电荷只有两种。美国科学家富兰克林（B.Franklin,1706—1790）把前者命名为正电荷（positivecharge），把后者命名为负电荷（negativecharge）。到了20世纪，物理学解开了物质分子、原子内部结构之谜，人们对电现象的本质又有了更深入的了解。本章将从物质微观结构的角度认识物体带电的本质、电荷相互作用的基本规律，以及与静止电荷相联系的静电场的基本性质。古代人发现摩擦过的琥珀能够吸引轻小物体。电荷及其守恒定律电荷 现在我们已经知道，构成物质的原子本身就包括了带电粒子：带正电的质子和不带电的中子构成原子核，核外有带负电的电子。原子核的正电荷的数量与电子的负电荷的数量一样多，所以整个原子对外界较远位置表现为电中性。原子核内部的质子和中子被核力紧密地束缚在一起。核力来源于强相互作用，所以原子核的结构一般是很稳定的。核外的电子靠质子的吸引力维系在原子核附近。通常离原子核较远的电子受到的束缚较小，容易受到外界的作用而脱离原子。当两个物体互相摩擦时，一些束缚得不紧的电子往往从一个物体转移到另一个物体，于是原来电中性的物体由于得到电子而带负电，失去电子的物体则带正电。这就是摩擦起电（electrificationbyfriction）的原因。例如，用丝绸摩擦玻璃棒时，玻璃棒上有些电子跑到丝绸上了，玻璃棒因缺少电子而带正电，丝绸因有了多余的电子而带负电。不同物质的微观结构不同，原子中电子的多少和运动状况也不相同。不仅如此，当大量原子或分子组成大块物质时，由于原子或分子间的相互作用，原子中电子的运动状况也会有3第一章静电场所变化。例如，金属中离原子核最远的电子往往会脱离原子核的束缚而在金属中自由活动，这种电子叫做自由电子（freeelectron）。失去这种电子的原子便成为带正电的离子（ion），它们在金属内部排列起来，每个正离子都在自己的平衡位置上振动而不移动，只有自由电子穿梭其中。这就使金属成为导体。金属中原子核、电子所处的状态及其运动，要比这里描述的复杂得多。这里描述的情景是简化了的，但它可以有效地解释与金属导电有关的现象，所以也是一个物理模型。当一个带电体靠近导体时，由于电荷间相互吸引或排斥，导体中的自由电荷便会趋向或远离带电体，使导体靠近带电体的一端带异号电荷，远离带电体的一端带同号电荷。这种现象叫做静电感应（electrostaticinduction）。利用静电感应使金属导体带电的过程叫做感应起电。验 电 器为了判断物体是否带电以及所带电荷的种类和多少，从18世纪起，人们经常使用一种叫做验电器的简单装置：玻璃瓶内有两片金属箔，用金属丝挂在一条导体棒的下端，棒的上端通过瓶塞从瓶口伸出（图1.1-2甲）。如果把金属箔换成指针，并用金属做外壳，这样的验电器又叫静电计（图1.1-2乙）。制作一个验电器，并描述如何用验电器检测带电体带电的种类和相对数量。注意观察：是否只有当带电体与导体棒的上端直接接触时，金属箔片才开始张开？解释看到的现象。做一做① 图1.1-2 验电器和静电计甲乙①本书中，“做一做”栏目和“说一说”栏目，其中的内容是扩展性的，不是基本教学内容。同学们可根据自己的条件在老师的指导下选择学习。CCCCCCC实验取一对用绝缘柱支持的导体A和B，使它们彼此接触。起初它们不带电，贴在下部的金属箔是闭合的（图1.1-1）。把带正电荷的物体C移近导体A，金属箔有什么变化？这时把A和B分开，然后移去C，金属箔又有什么变化？再让A和B接触，又会看到什么现象？利用上面介绍的金属结构的模型，解释看到的现象。图1.1-1 静电感应CAB+++++++4高中物理选修3-1电荷守恒定律 无论是摩擦起电还是感应起电，本质上都是使微观带电粒子（如电子）在物体之间或物体内部转移，而不是创造出了电荷。大量事实表明，电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到